分析技术正日新月异

5. 分析技术正日新月异

三次变革展新貌

让我们先从一个小故事说起：19世纪初，荷兰首都阿姆斯特丹市政府为了确保饮水卫生，保障市民健康，制定了饮水检验法规。那么，用什么方法判断、衡量水质优劣呢？不是用试剂，也不是用仪器，而是用人——具有特殊分辨味道能力的人——对运送进城的盛水容器中的水质逐一尝试。人舌的味觉是当时用于大批水样检测的最佳手段。如今，水质检测当然早已不再用人去品尝。分析化学家还正致力于扩展人的味、嗅觉功能，用传感器阵列与化学模式识别或人工神经网络结合，模拟这种功能。这个小事例或许可以看作分析化学产生及发展过程的一个缩影吧。

分析化学在化学科学中有其特有的地位和作用。它不仅在化学科学系统中是不可缺少的，也是许多其他有关学科和生产方面不可缺少的一门重要学科。例如，在农业生产方面，对于土壤的性质、灌溉用水、化肥、农药以及作物生长过程的研究等，都要用到分析化学。在工业生产方面，对于矿山的开发、工业原料的选择、工艺流程的控制、工业成品的检验、新产品的试制以及三废（废水、废气、废渣）的处理和利用等，都必须以分析结果为重要依据。在国防建设和对敌斗争方面，对于武器装备的生产和研制，侦察、破获敌特活动和刑事犯罪活动等，也经常需要分析化学的紧密配合。在科学实验方面，分析化学也具有重要的意义。化学学科的每一个分支——无机化学、有机化学、物理化学、高分子化学和放射化学等，常常需要运用各种分析手段来解决科学研究工作中的问题。其他，如生物学、物理学、医药学、考古学、海洋学、天文学等，也广泛应用到分析化学。

分析化学的任务是鉴定物质的化学结构和化学成分以及测定有关成分的含量。前者属于结构分析，后二者分别属于定性分析和定量分析。尽管分析化学成为一门科学的时间距今不算很长，但其起源却可以上溯到古代。当时的分析手段，主要是依靠人类的感官和双手进行分析和判断。16世纪出现了第一个使用天平的试金实验室，使分析化学开始赋有科学的内涵。到19世纪末，分析化学基本上由鉴定物质组成的定性手段和定量技术所组成，主要使用化学方法。

分析化学包括的范围是很广泛的。以分析对象来说，包括各种气态、固态和液态的无机物和有机物；从分析要求来说，包括各种元素、化合物、原子团和有机官能团等的定性和定量分析，它们的存在价态、存在形式和化学结构等方面的分析；从分析方法来说，包括各种化学方法、物理化学方法和物理方法等。但是，基础分析化学的内容主要是无机定性和定量化学分析。

20世纪以来，由于现代科学技术的发展，相邻学科之间相互渗透，分析化学的发展经历了三次巨大的变革。第一次是20世纪初，由于物理化学溶液理论的发展，为分析化学提供了理论基础，使分析化学从一种技巧性的操作转变成为一门科学；第二次是二次大战前后，物理学和电子学的发展促进了分析化学的发展，分析化学从以化学分析为主的经典分析化学发展到以仪器分析为主的现代分析化学。从70年代末到现在，以计算机应用为主要标志的信息时代的来临，给科学技术的发展带来巨大的冲击，分析化学正处在第三次大变革时期。这一时期的特征是：分析化学正在走向信息时代，计算机时代；生命科学的发展，计算机的发展促进了分析化学的发展。由于生产和现代科学技术的发展，特别是生命科学和环境科学的发展，对分析化学的要求愈来愈高，不再局限于“有什么”和“有多少”，而是要求提供物质更多的、更全面的信息。单从成分分析来看，半导体材料中常量成分的测定要求准确度达到百万分之一数量级，而且要求方法快速，材料中痕量杂质成分的分析对灵敏度的要求达到十亿分之一数量级；工业生产自动化又要求分析方法的快速和自动化，并且不能破坏样品。生产和科研不仅要求分析样品的元素和组成，还要求作状态、价态、结构、微区、薄层等纵深分析；不仅要回答分析物的成分和浓度，还要提出进一步的情报，如试样的表面组分，元素的空间分布，氧化状态，络合状态，晶体状态和活化状态等。分析化学吸收了当代科学技术的最新成就（包括化学、物理、电子学、数学、生物学等），利用物质一切可以利用的性质，建立表征测量的新方法、新技术，不断开拓新领域，正在走向一个更新的境界。

“十八般武艺”齐上阵

20世纪70年代以来，新技术革命浪潮的兴起，极大地推动了现代科学技术的发展进步，也为分析化学的发展带来了勃勃生机。分析化学目前已成为化学学科中最活跃的领域之一。从分析对象来看，生命科学、环境科学、新材料科学中的分析化学是分析化学学科中最热门的课题；从分析方法来看，计算机在分析化学中的应用和化学计量学是分析化学中最活跃的领域。据美国分析化学杂志统计，40~50年代发表的研究报告主要应用于材料科学；1961—1979年环境分析的论文上升到28％；1988年生物分析及生命科学的论文由为数很少迅速上升。近年来，由于蛋白质、核酸等生物大分子的人工合成，以及组成、结构和功能间关系的研究，揭示了生命过程的奥秘。生命科学的研究向分子水平发展，使其进入了一个崭新的阶段。世界各国都将生命科学列为优先发展的领域。

处于蓬勃发展过程中的分析化学大致可归纳为以下几个特点：

第一，分析手段更加完备。当代分析化学的特点是新方法层出不穷，老方法不断更新。40年代原子能、半导体材料科学的发展，促进了仪器分析的发展。为了满足客观实际需要，分析化学从分析监测目的出发，利用与结合了光、电、磁等方面的新成就，发明新仪器，发展和提高了仪器分析的水平。以光谱分析为例，自19世纪60年代出现第一台为光谱分析使用的分光镜，从而实现从光谱学原理到实际应用的过渡以来，光谱分析一直是分析化学中最富有活力的领域之一。光谱分析特别是原子光谱分析更接近物理分析方法，物理学、电子学、数学等相邻学科的新成就，对光谱分析的发展带来了巨大的影响。40年代中期，电子学中光电倍增管的出现，促进了原子发射光谱、红外光谱、紫外及可见光谱、X射线荧光光谱等一系列光谱分析的发展。50年代原子物理的发展，原子吸收及原子荧光光谱开始兴起。60年代等离子体、傅里叶变换、激光技术的引入，出现了电感耦合高频等离子体——原子发射光谱、傅里叶变换——红外光谱、激光光谱等一系列光谱分析技术。70年代检测单个原子的激光共振电离光谱的出现，使光谱分析的灵敏度达到了极限。80年代崛起的等离子体——质谱成为更接近“理想的多种元素分析”方法。

第二，分析精度空前提高。经典分析化学中由于显微镜的使用，分析试样重量体积及操作仪器的缩小，构成了“微量分析”的概念。奥地利化学家普列格尔（Pregl）由于发展有机微量分析而获1923年诺贝尔化学奖。现代分析化学正在进入原子、分子水平的微观世界。与向太空大空间发展相映，分析化学正向超微小空间发展：皮升（pl即10^-12升，如生物细胞）、飞升（fl即10^-15升，如大气气溶胶）、阿升（al即10^-18升，如类脂双层膜的通道）。现代成像离子显微镜将光学显微镜的空间分辨与二次离子质谱微区分析结合起来，为认识微观世界提供了手段。例如，让癌症患者摄入硼，使其在肿瘤部位富集，继以超热中子轰击之，定位于癌部位的硼将捕获中子并发射粒子杀伤周围癌细胞。又如，激光诱导荧光光谱的灵敏度已达到单分子检测水平，在生物医学中已用于癌症的早期诊断，用作高效液相色谱检测器，检出限可达10^-15克。

第三，“排难释疑”上新台阶。各种现代分析仪器技术的发展，改变了分析化学的面貌，也大大提高了它在国民经济各领域中解决实际问题的能力。光谱、质谱、核磁等谱学方法所提供的信息量大，是解决复杂分析课题的重要工具。例如，臭氧层的破坏情况，就是借助谱学仪器遥测发现的。而判断臭氧层破坏与含氯氟烃有关，也是根据共振荧光、红外等手段查找应存在或不可能存在的中间物种推断的。又如，电分析化学是国内外分析化学界都十分活跃的领域。电化学传感器研究发展十分迅速。一些用单晶等特殊材料制作的电化学传感器在国内成批生产，在化工、环保、卫生等部门广泛应用。再如，90年代初诞生的新的化学分支——化学计量学，应用统计学、数学与计算机科学为工具，发展了新的采样分析理论、校正理论及其他各种理论与方法，将为各种类型分析仪器的自动化与智能化提供理论指导与技术基础。化学模式识别与专家系统能协助分析工作者将原始分析数据转化为有用的信息与知识，为进行判别决策及解决实际生产科研课题提供依据。

迎接分析化学的新时代

回顾历史，分析化学在促进化学发展成为定量科学上起了重要作用。展望未来，分析化学显现出更加广阔的发展前景。近几十年来分析化学的长足发展，使分析化学经典的定义、基础、原理、方法、技术及仪器等方面都发生了根本的变化。与经典分析化学密切相关的是定性分析系统、重量法、滴定法、溶液反应、四大平衡等；基本原理主要是化学热力学和少量化学动力学。而现代分析化学与之密切相关的是化学计量学、过程控制、传感器、自动化分析、机器人、专家系统、界面、固定化、胶束介质、生物技术和生物过程，以及分析化学微型化带来的微电子学、集微光学和微工程学等等。现代分析化学已经远远超出化学的概念，突破了纯化学的领域，它将把化学与数学、物理学、计算机科学、生物学紧密地结合起来，发展成为一门多学科性的综合性科学。

近年来，化学计量学的迅速兴起，还使分析化学的作用由单纯提供原始数据上升到直接参与实际问题的解决，分析化学已发展成为名副其实的信息科学。分析仪器的发展也跨上了计算机化这一新台阶。由微机控制的自动分析仪器大量涌现。过去只能用模拟电路方式实现的仪器功能，现在可借数字模拟以更优的信噪比实现，各种多元校正算法软件、数据库、谱图检索系统、人工智能软件等，构成新一代分析仪器的特征组件。这样极大提高了分析仪器提供信息的功能，使分析仪器进入过去传统分析技术无法涉足的许多新领域，例如用航天器运载分析仪器探测火星上有无标志生命的化学物质存在，不需运送分析试样，而是直接将分析信息送回地球。又如近几年刚刚问世的“过程光二级管阵列分析器”，可做多组分气体或流动液体的在线分析，在1秒钟内可提供1800种气体、液体或蒸汽的分析结果，将其应用于试剂、塑料、药物及食品工业过程中产品质量控制分析，可以显著改善产品质量，大大提高生产效率，创造更大的经济效益。

【注释】

[1]转引自《百科知识》1996年第3期。

[2]辞海.上海辞书出版社，1989，548.

[3]左禄.侵华日军大屠杀实录.解放军出版社，1989，440.

[4]新华社报道，解放军报.1996年9月11日第5版.

[5]新华社报道，人民日报.1995年6月7日第6版.

[6]化学战剂：化学战专用毒剂的简称。

[7]痕量：指物质中被测成分含量在0.01％以下。